Podstawy metrologii Wykład 1

Klasyfikacja sprzętu
pomiarowego



Wzorce

- użytkowe

- kontrolne



Narzędzia pomiarowe

- przyrządy pomiarowe (wirtualne)

- maszyny pomiarowe

- sprawdziany



Układy i systemy pomiarowe



Pomoce pomiarowe

Zegar atomowy



Zegar atomowy

używa atomowego

wzorca częstotliwości jako licznika.



Współcześnie najdokładniejsze zegary

atomowe bazują na zaawansowanej

fizyce, np. na związkach cezu.



Dokładność takich zegarów dochodzi

do 10

-15

, co oznacza 10

-10

sekundy (1/10 nanosekundy) na dzień.

Wzorce



Wzorzec

to pojęcie, które może

oznaczać wzór jednostki miary,

wzór rzeczy, wyrobu albo zalecany

wygląd (wzór do naśladowania).



Pojęcie wzorca jest stosowane

w metrologii: -

wzorzec jednostki

miary

, inaczej:

etalon

wzorzec inkrementalny

wzorzec falowy

Wzorce



Wzorce odtwarzają jednostki miary lub

ich wielokrotności.



Od wzorców wymaga się:

•

niezmienności w czasie,

•

łatwej odtwarzalności,

•

łatwej porównywalności,

•

łatwości stosowania,

•

dużej dokładności.



Parametrami głównymi wzorców są:

•

nominalna wartość miary

wzorca

•

niedokładność wartości nominalnej

wzorca,

•

warunki

w których wartość i

dokładność miary wzorca są zachowane,



Wzorcom przypisuje się

poprawne

wartości

, nazywane też prawdziwymi

które różnią się od wartości

nominalnych.

Wzorce



Podstawowe jednostki układu SI

odtwarzają

wzorce pierwotne

wykorzystujące najczęściej stałe

fizyczne.



Wzorce wtórne

mają wartości

określone przez porównanie z

wzorcami pierwotnymi.

Rodzaje wzorców



Wzorzec pierwotny jednostki miary



Wzorzec wtórny jednostki



Wzorzec międzynarodowy jednostki

miary



Wzorzec państwowy jednostki miary



Wzorzec odniesienia jednostki miary



Wzorzec roboczy jednostki miary



Wzorzec kontrolny jednostki miary



Wartości jednostki miary są przekazywane od

wzorców pierwotnych do wzorców niższej rangi

aż do przyrządów pomiarowych, znajdujących się

w poszczególnych laboratoriach lub

zainstalowanych na liniach produkcyjnych.



W ten sposób zapewnia się

spójność pomiarową

wyników pomiarów z wzorcami najwyższej rangi.



Wyniki pomiarów są wówczas

wiarygodne

, gdyż

są powiązane z wzorcami.

Płytki wzorcowe



Płytki wzorcowe

płytki Johanssona

, są

jednomiarowymi końcowymi



wzorcami długości i mają najczęściej kształt

prostopadłościanów.



Wykonywane są w pięciu klasach dokładności:



K, 00, 0, 1



Wykonywane są w trzech podstawowych kompletach:

- komplet mały (47 sztuk)

- komplet średni (76 sztuk)

- komplet duży (103 sztuki)



klasa K

– w laboratoriach pomiarowych do wzorcowania innych płytek

wzorcowych, powinny być stosowane ze świadectwem wzorcowania,



klasa 00

- o najmniejszym błędzie wykonania płytek wzorcowych.



klasa 0

- jako płytki wzorcowe podstawowe do sprawdzania płytek

wzorcowych podporządkowanych (o niższej klasie dokładności); do

wzorcowania przyrządów pomiarowych o dużej dokładności,



klasa 1

- do pomiarów wzorców kontrolnych i sprawdzianów, do

wzorcowania długościomierzy i pomiarów w laboratoriach

pomiarowych,



klasa 2

- jako wzorce nastawcze i kontrolne przyrządów pomiarowych

niższej dokładności, wzorce zastępujące sprawdziany szczękowe.

Sprawdzian



Sprawdzian

- narzędzie pomiarowe przy

pomocy którego stwierdzamy, czy dany wymiar

przedmiotu jest prawidłowy i nie przekracza

wartości granicznej (dolnej i górnej).



Sprawdzian zazwyczaj wykonany jest z

nierdzewnej, hartowanej stali narzędziowej i nie

pozwala na stwierdzenie rzeczywistego wymiaru.



W zależności od rodzaju zadania sprawdziany

możemy podzielić na sprawdziany wymiaru i

kształtu.

Rodzaje sprawdzianów



Do najczęściej stosowanych

sprawdzianów wymiaru

zalicza się sprawdziany:

do otworów

: tłoczkowy walcowy, tłoczkowy kulisty,

łopatkowy walcowy, łopatkowy walcowy o zmiennej

powierzchni pomiarowej, łopatkowy kulisty,

średnicówkowy;

do wałków

: pierścieniowy, szczękowy, szczękowy

składany, szczękowy ze szczękami wstawianymi,

szczękowy nastawny;



do stożków

;



do gwintów

;

Rodzaje sprawdzianów



W każdej grupie sprawdzianów można

wyodrębnić sprawdziany:

jedno

dwugraniczne.



Sprawdziany jednograniczne odwzorowują

jeden ograniczony wymiar: największy lub

najmniejszy



Sprawdziany dwugraniczne odwzorowują oba

wymiary graniczne.



Wymagania stawiane sprawdzianom określa

Polska Norma.

Przyrząd pomiarowy



Przyrząd pomiarowy

jest to urządzenie

przeznaczone do wykonywania pomiarów,

samodzielnie lub w połączeniu z jednym lub z

wieloma urządzeniami dodatkowymi.



Prosty przyrząd pomiarowy może mierzyć

jedną

wielkość

i mieć

jeden zakres pomiarowy

. Taki

przyrząd nazywamy

miernikiem

. Przyrządy

laboratoryjne i serwisowe są najczęściej

wielofunkcyjne

wielozakresowe

. Takie

przyrządy nazywa się

multimetrami



Pole odczytowe może być

analogowe

lub

cyfrowe



Dla pola analogowego charakterystyczna

jest

skala

z naniesionymi

wskazami



Odległość między dwoma wskazami

nazywamy

działką elementarną



Przyrządy cyfrowe mają pole odczytowe

cyfrowe.

Przyrządy pomiarowe



Przyrządy pomiarowe można podzielić na:

•

wskazujące

•

rejestrujące (rejestratory)

•

analogowe

•

cyfrowe.



Przyrządy wskazujące pokazują aktualnie

mierzoną wielkość i nie pamiętają

poprzednich wskazań.

Przyrządy analogowe



W przyrządach analogowych zmianie mierzonej

wielkości towarzyszy ciągła zmiana wskazania, a w

przyrządach cyfrowych obserwujemy dyskretną

zmianę wskazań, wynikającą z dyskredytacji miernika

cyfrowego (jedna ostatnia cyfra).



Odczyt z przyrządów analogowych też jest ograniczony

w skutek rozdzielczości oka ludzkiego i stąd często

mniej dokładny niż w przyrządach cyfrowych.



Przyrządy analogowe mają podziałkę, wzdłuż której

porusza się wskazówka lub słupek,

Układy pomiarowe



Układy pomiarowe

są zbiorami

funkcjonalnymi odpowiednio połączonych

przyrządów i przetworników

pomiarowych, stanowiących jedną całość

umożliwiającą pobranie informacji

pomiarowej, przetworzenie jej na sygnał

pomiarowy, porównanie (komparację),

standaryzację i ekspozycję wyniku

pomiaru.

Systemy pomiarowe



Systemy pomiarowe

są to zbiory

funkcjonalne przyrządów pomiarowych

objętych wspólnym sterowaniem

wewnętrznym lub zewnętrznym,

tworzące jedną organizacyjną całość

do pobrania informacji pomiarowej, jej

przetworzenia, komparacji

(porównania), obliczeń i rejestracji

wyników pomiarów.

Warunki użytkowania
aparatury pomiarowej

Warunki te powinien zawsze podać

producent aparatury i można

podzielić je na:

•

normalne

•

dopuszczalne.



warunkach normalnych

wskazania przyrządów,

charakterystyki przetworników, wartości wzorców

mieszczą się w granicach dopuszczalnych błędów

podstawowych (niedokładności) podanych przez

producenta.



Warunki dopuszczalne użytkowania aparatury

pomiarowej są znacznie szersze niż warunki normalne.



warunkach dopuszczalnych

mogą wystąpić błędy

dodatkowe powodujące przekroczenie granic błędów

podstawowych. Granice dopuszczalnych błędów

dodatkowych podaje producent.

Noniusz



Urządzenie pozwalające na zwiększenie

dokładności pomiaru długości i kątów; jest to

suwak z dodatkową podziałką, przesuwający się

wzdłuż podziałki głównej przyrządu.



Rozróżniamy noniusze liniowe, służące do

pomiarów związanych z długościami (jak również

np. z głębokościami), oraz noniusze kątowe - do

mierzenia kątów.

Noniusz wynalazł francuski matematyk

Pierre Vernier

1631

roku. Swój wynalazek nazwał na cześć

Pedro

Nuneza

który pierwszy wpadł na pomysł zwiększania

dokładności pomiarów w ten sposób.

- długość jednostki (jednostkowy kąt) podziałki

głównej przyrządu (na rysunku a = 1 mm).

- długość jednostki (jednostkowy kąt) podziałki

noniusza, wyrażona w jednostkach a (tutaj a' =

0,9 mm).

- długość noniusza (w jednostkach a, na

rysunku L = 9 mm).

- liczba działek noniusza (na rysunku n = 10).

Zależności, moduł
noniusza



zależność wiążąca

oraz

a‘

Dla każdego przymiaru

wyposażonego w noniusz

definiujemy jeszcze jedną,

dodatkową wielkość, zwaną

modułem noniusza

Dokładność noniusza



Dokładność noniusza

oblicza się

według zależności:

gdzie:

– wartość działki

elementarnej

– liczba działek noniusza

Punkt koincydencji



Miejsce, w którym pokrywają się kreski

podziałek głównej i noniusza

nazywamy

punktem koincydencji



W konkretnych przykładach zwykle mówi

się, że punkt koincydencji znajduje się na

n-tej kresce noniusza (a nie podziałki

głównej), dla podkreślenia znaczenia

noniusza w zwiększaniu dokładności

pomiaru.

Inne przyrządy
suwmiarkowe



przyrządy suwmiarkowe z czujnikiem



przyrządy suwmiarkowe z cyfrowym urządzeniem

odczytowym



suwmiarka z układem radiowego przesyłania wyników

pomiarów



suwmiarka cyfrowa uniwersalna z kompletem ramion

pomiarowych



głębokościomierz suwmiarkowy



wysokościomierz suwmiarkowy



inne.

Ernst Abbe

niemiecki fizyk,

współzałożyciel zakładów Carl Zeiss

Stiftung w Jenie w 1866r.



Postulat Abbego

– warunek

poprawnej konstrukcji przyrządów do

pomiaru długości.



Mówi, że mierzona długość i mierzący

ją wzorzec muszą leżeć na jednej

prostej



Przyrządy o konstrukcji nie

spełniającej tego postulatu mogą

dawać błędne pomiary.

Hierarchiczne układy
sprawdzań



Spójność pomiarowa

– powiązanie z

wzorcami jednostek miar.



Nieprzerwany łańcuch porównań

nazywamy

łańcuchem powiązań.



Wzorzec podstawowy

– wzorzec

charakteryzujący się najwyższą jakością

metrologiczną.



Wzorzec odniesienia

- wzorzec

charakteryzujący się najwyższą jakością

metrologiczną dostępny w danym miejscu

stanowiący odniesienie dla wykonywanych

pomiarów.



Wzorzec roboczy

– wzorzec jednostki

miary używany zwykłe do wzorcowania

lub sprawdzania wzorców miar,

przyrządów pomiarowych lub materiałów

odniesienia.

Przepisy metrologiczne



Prawnej kontroli metrologicznej

podlegają przyrządy stosowane

w ochronie zdrowia i środowiska,

- w ochronie bezpieczeństwa i

porządku publicznego,

- przy pobieraniu opłat (podatków i

należności budżetowych),

- przy dokonywaniu kontroli celnej,

- w obrocie handlowym

Przepisy metrologiczne



Zatwierdzenie typu

– wykazanie na

podstawie wyników badań, że typ

przyrządu spełnia wymagania

metrologiczne.



Legalizacja

– jest sprawdzeniem,

stwierdzeniem i poświadczeniem

dowodem legalizacji, że przyrząd spełnia

wymagania metrologiczne



Rodzaje legalizacji:

legalizacja pierwotna

– wykonywana po

raz pierwszy po wyprodukowaniu

przyrządu,

legalizacja ponowna

– każda kolejna

legalizacja,

legalizacja jednostkowa

– w wykonaniu

jednostkowym przyrządu

Ogólne zasady wzorcowania i
sprawdzania przyrządów
pomiarowych



Wzorcowanie

– zbiór operacji

ustalających relacje między wartościami

wielkości mierzonej wskazywanego przez

przyrząd a odpowiednimi wartościami

wielkości odtwarzanymi przez wzorce.



Sprawdzanie

obejmuje czynności

stwierdzające zgodność przyrządu z

wymaganiami norm, zaleceń technicznych.



Wzorcowanie i sprawdzanie

powinno być

przeprowadzane wg określonych metod,

zgodnych z normami oraz uznanymi

zaleceniami

Procedura
wzorcowania/sprawdzenia



Procedura

powinna zawierać

następujące informacje:

- nazwy przyrządów, do których jest

stosowana,

- parametry lub wielkości, sprzęt lub

wzorce odniesienia stosowane podczas

wzorcowania,

- wymagane warunki środowiskowe,

- sekwencje realizowania procedury,

- procedurę szacowania niepewności

pomiarowej,

- protokół wyników pomiarów

Czynności procedur



Niezależnie od rodzaju przyrządów

czynności można podzielić na następujące

grupy:

- czynności przygotowawcze,

- badanie stanu ogólnego,

- sprawdzanie parametrów technicznych,

- sprawdzenie parametrów

metrologicznych,

- czynności końcowe

Laboratorium pomiarowe



powinno mieć procedury dotyczące

przyjmowania, zabezpieczenia i

przetrzymywania przyrządów

podlegających wzorcowaniu,



powinien istnieć spójny system

identyfikacji przyrządów,



Personel powinien mieć odpowiednie,

udokumentowane kwalifikacje,



Powinny być procedury dla własnych

przyrządów pomiarowych używanych

podczas wzorcowania,



Powinny być nadzorowane warunki

odniesienia (temperatura 20

C, ciśnienie

atmosferyczne 101325 Pa, ciśnienie pary

wodnej w powietrzu 1333 Pa)

Walidacja metod pomiarowych
i badawczych



Pierwszym etapem kontrolowania

poprawności metody pomiarowej jest

weryfikacja

– dająca odpowiedź, czy

metoda jest zastosowana poprawnie i

zgodnie z założeniami.



Walidacja

– potwierdzenie, że zostały

spełnione wymagania dotyczące

określonego zastosowania

metody

pomiarowej

i podczas pomiaru uzyskamy

prawidłowe wyniki, obejmuje zasięgiem

także każdą

procedurę, proces, aparaturę,

materiał, czynności

lub

oprogramowanie

Niepewność pomiaru



Czynniki wpływające na niepewność

pomiaru:

czynniki techniczne

związane z:

wyposażeniem pomiarowym, metodami

pomiarowymi, jakością mierzonego

przedmiotu,

czynniki ludzkie

czynniki środowiskowe



Wpływ tych czynników powinien być

uwzględniony w stosowanych metodach

pomiarowych

Procedura walidacji metod
pomiarowych



Sposób

postępowania

podczas walidacji

jest uzależniony od

tego czy jest to:

- nowa metoda,

- metoda stosowana

w innych

laboratoriach,

- modyfikacja

stosowanej metody,

- metoda

standardowa

Specyfikacja użytkownika



Powinna uwzględniać następujące

wytyczne:

- każde wymaganie powinno być

zdefiniowane jasno i zwięźle,

- wymagania nie powinny się powtarzać,

- specyfikacja powinna wyrażać

oczekiwania, a nie rozwiązania

projektowe,

- każde wymaganie powinno być tak

sformułowane aby było możliwe do

sprawdzenia,

- specyfikacja musi być zrozumiała dla obu

stron.

Plan walidacji



W planie walidacji powinny znaleźć

odzwierciedlenie następujące elementy:

- precyzyjne określenie odpowiedzialności

wraz z przypisaniem jej do poszczególnych

osób,

- wykaz dokumentów definiującą metodę i

jej przeznaczenie,

- relacje metody z innymi elementami (np

oprogramowaniem),

- wykaz parametrów kontrolnych wraz ze

wskazaniem parametrów krytycznych.

Walidacja sprzętu
pomiarowego



Miara niepewności przyrządu

pomiarowego – odchylenie standardowe



Na wariancję pomiaru przyrządem składa

się wariancja wywołana powtarzalnością

oraz wariancja spowodowana

odtwarzalnością













odtw

powt

przyrz







Rozstęp średni



Miernikiem powtarzalności może być

rozstęp średni

gdzie:

liczba operatorów,

-ty wynik pomiaru

-tego elementu



Estymator odchylenia standardowego

powtarzalności

 













min

max



powt





Odtwarzalność



Miernikiem powtarzalności może być

rozstęp średni



Estymator odchylenia standardowego

powtarzalności













min

max

powt





Błąd związany z
powtarzalnością i
odtwarzalnością



Błąd związany z powtarzalnością EV:



Błąd związany z otwarzalnością AV:



Sumaryczny błąd

powt







odtw









 



odtw

powt







•

Estymator odchylenia standardowego
produkcji

•

Estymator rozrzutu produkcji

•

Rozrzut całkowity błędu

 

min

max

prod







prod





 15





wnioskowanie

R&R/TV < 10%

10% < R&R/TV

30%

R&R

30%

przyrząd jakościowo

zdolny, nadaje się do

dalszej eksploatacji,

przyrząd nadaje się do

kontroli parametrów

drugorzędnych,

- przyrząd nie nadaje

się do eksploatacji

Nadzorowanie wyposażenia do
pomiarów, kontroli i badań



Określenie przewidywanych pomiarów.



Identyfikowanie wyposażenia pomiarowo-

kontrolnego.



Określenie procedury wzorcowania

wyposażenia pomiarowego.



Ustalenie odstępu między wzorcowaniami.



Opracowanie procedury znakowania

wyposażenia pomiarowo- kontrolnego



Nadzorowania zapisów dotyczących

wzorcowania.



Ocena ważności poprzednich wzorcowań.



Określenie zasad użytkowania

wyposażenia pomiarowego.



Zabezpieczenie wyposażenia

Sprawdzanie przyrządów
suwmiarkowych



Dla suwmiarek norma i zalecenia

określają:

- właściwości materiału,

- cechy podziałek prowadnicy i suwaka,

- chropowatość powierzchni pomiarowych,

- odchyłki graniczne grubości szczęk

pomiarowych,

- tolerancje płaskości i prostoliniowości

powierzchni pomiarowych,

- tolerancje równoległości elementów

szczęk,

- dopuszczalne błędy wskazań

Instrukcja sprawdzania



Zawiera:

- warunki sprawdzania,

- przebieg sprawdzania:

oględziny zewnętrzne,

sprawdzenie charakterystyk

metrologicznych, które obejmuje:

- sprawdzenie płaskości i

prostoliniowości powierzchni

pomiarowych,

- wyznaczenie błędów wskazań.



Dokumentowanie wyników sprawdzania

Sprawdzanie przyrządów
mikrometrycznych



Wymagania metrologiczno-techniczne

dotyczące przyrządów mikrometrycznych

wynikają z normy PN/M – 053200 i

dotyczą:

- właściwości materiału elementów

pomiarowych,

- podziałki tulei i bębna,

- chropowatości powierzchni pomiarowych,

- tolerancji Tp płaskości powierzchni

pomiarowych,

- tolerancji równoległości Tr powierzchni

płaskich,

- tolerancji prostopadłości Tv powierzchni,

- dopuszczalne błędy wskazań

Instrukcja sprawdzania
mikrometrów zewnętrznych



Zawiera:

- warunki sprawdzania,

- przebieg sprawdzania:

oględziny zewnętrzne,

sprawdzenie charakterystyk

metrologicznych, które obejmuje:

- sprawdzenie płaskości i równoległości

powierzchni pomiarowych,

- sprawdzanie nacisku pomiarowego

- wyznaczenie błędów wskazań.



Dokumentowanie wyników sprawdzania

Podstawowe wymagania
metrologiczne i techniczne



Wartości działek elementarnych i zakresy

pomiarowe.



Twardość powierzchni końcówki

pomiarowej.



Chropowatość powierzchni końcówki

pomiarowej.



Nacisk pomiarowy (zakres zmienności,

histereza).



Odchylenie od płaskości powierzchni

pomiarowych końcówek i stołu

pomiarowego.



Granice błędów dopuszczalnych.



Zmiana wskazań spowodowana naciskiem

bocznym.



Zmiana wskazań przy odchylaniu czujnika

od pionu.



Histereza pomiarowa

Instrukcja sprawdzania
czujników



Zawiera:

- warunki sprawdzania,

- przebieg sprawdzania:

ględziny zewnętrzne,

prawdzenie charakterystyk metrologicznych, które

obejmuje:

- sprawdzenie zmiany wskazań wywołanych naciskiem

bocznym

- sprawdzanie nacisku pomiarowego

- wyznaczenie błędów wskazań

- wyznaczenie histerezy pomiarowej

- sprawdzenie tłumienia układu wskazującego

- wyznaczenie zakresu rozrzutu wskazań

- sprawdzenie wpływu pochylenia czujnika na wskazanie

- sprawdzenie siły potrzebnej do zmiany położenia

kątowego końcówki pomiarowej



Dokumentowanie wyników sprawdzania

Płytki wzorcowe



Płytki wykonywane są w klasach: 00, K,

0,1,2



Warunki odniesienia



Przywieralność powierzchni pomiarowych



Właściwości materiału płytek wzorcowych



Oznakowanie płytek wzorcowych (00, K)



Wymagania metrologiczne:

- długość środkowa płytki wzorcowej

- odchylenie od płaskości

- dopuszczalne błędy długości oraz

rozrzutu długości

Sprawdzanie płytek
wzorcowych

Warunki sprawdzania

Przebieg sprawdzania:

oględziny zewnętrzne

sprawdzanie charakterystyk

metrologicznych:

- sprawdzanie przywieralności

powierzchni pomiarowych

- sprawdzanie płaskości powierzchni

pomiarowych

- wyznaczenia błędu długości środkowej

- wyznaczenia zakresu rozrzutu długości

Document Outline